بخشی از مقاله
بررسی اثر دما و زمان بر سینتیک تشکیل آستینیت در فولادهای فنر کربن متوسط
چکیده
فولادهای فنر برای تولید قطعات با خواص بر جهندگی مطلوب معمولا در شرایط آستمپر و یا کوئنچ - تمپر بعلت خواص منحصر به فرد ساختارهای حاصل مورد استفاده قرار می گیرند . مزیت این فولادها مبتنی بر توانایی تغییر شکل الاستیک بالای آنها بوده که در اثر آن فولاد تا محدوده مشخصی در اثر بارگذاری و باربرداری بدون تغییر شکل باقی می ماند. خواص فولادهای فنر به میزان درصد کربن ، افزایش عناصر آلیاژی مانند Mn، V،MO،CT و نوع عملیات حرارتی کوئنچ - تمپر مربوطه بستگی دارد. از آنجایی که عملیات حرارتی آستنیته کردن در فولادها، اولین گام در تدوین برنامه های بعدی عملیاتی حرارتی محسوب می شود ، مطالعات زیادی در خصوصی بررسی اثر دما و زمان بر این ویژگی صورت گرفته است . بر این اساسی در تحقیق حاضر تاثیر دما و زمان بر سینتیک تغییر حالت تشکیل استنیت توسط معادله اورامی در فولادهای فنر کربن متوسط با انجام سختی سنجی و بررسی ریز ساختاری ، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است .
کلمات کلیدی : فولاد فنر، آستنیت، معادله اورامی ، سینتیک، تشکیل آستنیت
۱- مقدمه
از مشخصات اصلی فولادهای فنر می توان به قابلیت جذب بارهای ضربه ای و تنش های نوسانی و یا ذخیره انرژی جنبشی تحت بارهای استاتیکی اشاره کرد [۱]. با توجه به اهمیت کاربردی این دسته فولادها مطالعات وسیع در خصوصی بهینه سازی خواص نهایی آنها جهت کاهش وزن و ابعاد قطعات مورد استفاده در صنعت خودرو همواره در حال انجام می باشد . تحقیق در خصوص روش های مختلف عملیات حرارتی بر روی این دسته از فولادها به منظور بهبود خواصی نهایی آنها همواره مورد توجه محققین بوده است. در این بین مهمترین مرحله جهت حصول نتیجه مطلوب از اعمال روش های مختلف عملیات حرارتی فولادهای فنر، انجام عملیات صحیح استنیته کردن با هدف دستیابی به یک ساختار همگن و تک فاز با دانه بندی مناسب تشخیص داده شده است [۲]. سینتیک تشکیل آستنیت تحت تاثیر عواملی همچون دما و زمان آستنیته کردن ، ترکیب شیمیایی ، سرعت گرمایشی و ریز ساختار اولیه قرار می گیرد که در این بین دما، زمان و ترکیب شیمیایی از اهمیت بیشتری برخوردارند [۲ و ۳]. از طرف دیگر مشخصه های استحاله های بعدی به اندازه دانه های آستنیت بستگی داشته بنابراین رشد دانه های آستنیت در حین عملیات آستنیته کردن باید به دقت کنترل شود. رشد دانه های آستنیت اصولا تاجایی که توسط دانه های مجاور یا رسوبات موجود محدودیتی اعمال نگردد ادامه می یابد. باید توجه داشت که در این بین تاثیر دمای آستنیته کردن نسبت به سایر پارامترها بیشتر بوده به گونه ای که با افزایش دمای آستنیته کردن نرخ رشد دانه های آستنیت افزایش می یابد || ۴] . از مشخصه های اصلی از فولادهای فنر کربن متوسط، کار سرد پذیری ، درصد کربن بالا و کیفیت سطح مناسب (بمنظور افزایش عمر خستگی ) می باشد . اهداف نهایی عملیات حرارتی این دسته از فولادها، افزایش استحکام، چقرمگی و کاهش و اپیچشی (DiStOrtion)، دستیابی به سختی مورد نظر و در نتیجه صرفه جویی در انرژی و سرمایه می باشد. از موارد کاربرد این فولادها در صنعت خودروسازی بویژه در ساخت Torsion bats و Stabili Zer Bats بمنظور بالابردن مرکز ثقل خوردو می باشد [۵ ] ( شکل - ۱ ) . پژوهشی حاضر، جهت بررسی تاثیر دما و زمان بر سینتیک تشکیل آستنیت در فولادهای فنر کربن متوسط جهت بهینه سازی فرآیند صنعتی مربوط صورت پذیرفته است.
۲- روش تحقیق
در این تحقیق، تاثیر دما و زمان بر سینتیک تشکیل آستنیت در یک فولاد فنر کربن متوسط (Cr3 55)که جهت ساخت میله های پیچشی خودروها استفاده می شود با ترکیب شیمیایی ارائه شده در جدول - -۱ مورد بررسی قرار گرفته است . بدین منظور نمونه های استوانه ای با قطر ۲۲ میلیمتر و ارتفاع ۲۰ میلیمتر از نمونه های اصلی در شرایط آهنگری شده (با ریز ساختار اولیه فریتی - پرلیتی ) تهیه شده و تحت عملیات آستنیته کردن مطابق دیاگرام نمادین شکل - ۲ قرار گرفتند . مطابق این سیکل ، ابتدا نمونه ها در کوره موفلی در دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد بمدت ۱۰ دقیقه تحت عملیات پیشگرم ( جهت ایجاد شرایط اولیه یکسان از لحاظ ساختار میکروسکوپی اولیه و نیز به منظور کاهش زمان رسیدن به دمای آستینیته کردن ) قرار گرفته و سپس به سرعت در کوره حمام نمک مذاب با دماهای مشخص شده برای آستنیته کردن قرار داده شده اند. نمونه ها به مدت زمان های متفاوت در کوره حمام نمک آستنیته نگهداری شدند. در جدول - ۲ دماها و زمان های انتخاب شده برای آستنیته کردن و نیز در جدول - ۳ دماهای بحرانی فولاد مورد برررسی که با استفاده از روابط ارائه شده توسط Ander WS [۶] محاسبه شده ، ارائه شده اند. سپس نمونه ها به سرعت در آب کوئنچ شده و جهت بررسی تغییرات ریز ساختاری ، عملیات متالوگرافی بر روی نمونه ها انجام شد. بدین منظور نمونه ها پس از مراحل سنباده زنی و پولیش توسط محلول نایتالی ۲٪ تحت حکاکی قرار گرفتند . جهت بررسی کمی کسر
حجمی آستنیت از سختی سنجی به روش ویکرز استفاده شد.
۳- نتایج و بحث یکی از مناسب ترین روش های اندازه گیری کسر حجمی آستنیت تشکیل شده در حین عملیات آستنیته کردن ، استفاده از روش سختی سنجی می باشد . در این روش اطلاع از مقادیر سختی ساختار اولیه و ساختار کاملا مارتنزیتی کسر حجمی آستنیت بطور تقریبی توسط رابطه ۱ تخمین زده می شود [۷].
در این رابطه HV سختی فولاد پس از عملیات آستنیته کردن در درجه حرارت T و زمان t و X درصد فاز آستنیت تشکیل شده Hi و Hf به ترتیب سختی ساختار نهایی ( عدد سختی مارتنزیت کامل ) و سختی ساختار اولیه (ساختار فریتی - پرلیتی ) می باشد . Hillf فولاد مورد بررسی در این تحقیق به ترتیب برابر با ۱۰۲۰HV و ۲۳۰HV اندازه گیری شدند. بررسی تغییرات سختی (بر حسب ویکرز) بازمان آستنیته کردن تحت دماهای مختلف آستنیته کردن، حاکی از تطابق روند تغییرات سختی - زمان با تغییرات کسر حجمی -زمان ارائه شده برای استحاله های نفوذی است . در شکل - ۳ نمونه ای از منحنی های تغییرات سختی بر حسب زمان آستنیته کردن حاصل در این تحقیق ارائه شده است. به منظور اطلاع از تغییرات ریز ساختاری ، ریز ساختارهای مرتبط با نواحی مختلف منحنی نیز در شکل - ۳ داده شده اند. سه ناحیه مجزا در این گونه منحنی ها ( منحنی سینیتک تشکیل آستنیت ) قابل تشخیصی هستند . ناحیه اول مربوط به زمان اختفا برای استحاله ، ناحیه دوم ، ناحیه رشد جوانه هایی که در ناحیه اول بوجود آمده و همچنین تشکیل و رشد جوانه های جدید و ناحیه سوم ، ناحیه کامل شدن تشکیل آستنیت و رشد دانه های آن می باشند. همانطور که در منحنی های سختی بر حسب زمان آستنیته کردن مشاهده می شود در تمام دماهای یک پیک سختی وجود دارد.این پیک سختی به وجود کاربیدهای حل نشده در زمینه آستنیتی در مراحل انتهایی استحاله نسبت داده می شود [۱۰] در شکل -۴ شماتیک تغییرات ریز ساختاری منجر به تشکیل پیک سختی، نشان داده شده است. همانطوری که مشاهده می شود بالا بودن سختی در منحنی S شکل به وجود ذرات کاربیدی نسبت داده می شود ( شکل - ۴ - ب ) و پایین بودن سختی در قبل از پیک سختی به حضور کلونی های پرلیت در ساختار مربوط می باشد ( شکل - ۴- الف ) و پایین بودن سختی در بعد از پیک به انحلال بخشی از کاربیدهای موجود در دانه های آستنیت نسبت داده می شود ( شکل - ۴ - ج ). در شکل - ۵ منحنی های تغییرات سختی (بر حسب ویکرز) بازمان ، تحت دماهای متفاوت آستنیته کردن ارائه شده اند . همان طور که مشاهده می گردد با افزایش دما از ۸۰۰C به C ۸۵۰ منحنی سختی - زمان به سمت چپ انتقال یافته و به عبارت دیگر زمان اختفا کاهش یافته است. نرخ کاهش زمان اختفا با افزایش دما از C ۸۵۰ به ۹۰۰C و ۹۵۰C کمتر می شود. بر اساسی رابطه آرینوس ، در دمای ۸۰۰C به دلیل پایین بودن نیروی محرکه جهت استحاله آستنیتی ، زمان اختفاه زیاد می باشد اما در دماهای بالاتر از ۸۵۰C نیروی محرکه جوانه زنی آستنیت بالا است و زمان اختفاء کاهش می یابد [ ۱۰]. در حقیقت با افزایش دما، سرعت نفوذ کربن و بواسطه آن نیروی محرکه استحاله آستنیتی افزایش یافته و در نتیجه سرعت تغییر حالت افزایش می یابد ] ۴].
به منظور مطالعه دقیق تر اثر دما و زمان بر سینتیک استحاله آستنیتی ، تغییرات پارامترهای n و Logk معادله اورامی که X و t به ترتیب بیانگر کسر حجمی آستنیت و زمان آستنیته کردن می باشند ) بررسی شدند. در جدول - ۴ مقادیر n و Logk محاسبه شده برای دماهای مختلف آستنیته کردن و در شکل های ۶ و ۷ نمودارهای تغییرات n و Logk با دما ارائه شده اند.همانطور که از جدول - ۴ و شکل - ۶ مشاهده می شود، مقدار n برای تمام دماهای مورد آزمایش تقریبا ثابت بوده که به معنای عدم تغییر مکانیزم تشکیل آستنیت در این محدوده حرارتی می باشد [۴]. از طرف دیگر بررسی تغییرات Logk با دما (جدول - ۴ و شکل -۷) افزایش نسبی این پارامتر را بادما نشان می دهد که با توجه به اثر افزایش دما برافزایش سینتیک استحاله قابل توجیه می باشد [۴]. اما همانگونه که در جدول - ۴ و شکل - ۷ مشاهده می گردد، میزان تغییرات logk با افزایش دما از ۹۰۰C به ۹۵۰C نسبت به میزان این تغییرات در دماهای ۸۰۰C و ۸۵۰C کمتر می باشد. این پدیده به میزان انحلال کاربیدها نسبت داده می شود [۴]. به گونه ای که در دماهای پایین تر (۸۰۰C و C ۸۵۰ ) ، بواسطه کم بودن دما نیروی محرکه لازم برای انحلال کاربیدها و در نتیجه سینتیک استحاله (بویژه در مراحل انتهایی ) کمتر می باشد. اما با افزایش بیشتر دما (۹۰۰C و ۹۵۰C) و افزایش سرعت نفوذ کربن ، انحلال کاربیدها سریع تر رخ داده و بواسطه ان سینتیک استحاله افزایش می یابد . همانطور که در شکل - ۵ دیده می شود ، میزان افت سختی پس از پیک در منحنی های مربوط به دماهای ۹۰۰C و ۹۵۰C بیشتر از سایر دماها است که با توجه به اثر انحلال کاربیدها در افت سختی تایید کننده بیشتر بودن انحلالی کاربیدها در دماهای بالاتر استحاله می باشد. با توجه به مطالعات و آزمایش های انجام شده (بررسی های ریزساختاری ،
